Tekniikan kehittyminen ja korroosio - Korroosion ja korroosioneston historia

Metallien korroosio johtuu siitä, että metallin valmistuksessa käytetään suuri määrä energiaa, joka kasvattaa metallin energiasisältöä verrattuna malmiin. Metalli pyrkii vapautumaan tästä energiaylimäärästä reagoimalla ympäristönsä kanssa ja muuttumaan ajan mittaan takaisin yhdisteikseen.

Korroosio on luonnonlakien mukaan väistämätön ilmiö. Joissakin luonnon olosuhteissa jotkut metallit voivat säilyä, esimerkiksi kulta ja kupari, jotka ihmiskunta ensimmäiseksi otti käyttöön. Passivoitumisilmiöitä tutkineen ja passivoitumista mallintaneen D.D. Macdonaldin mukaan sivilisaatio on rakennettu reaktiivisten metallien varaan ja metallien käyttö perustuu niiden passivoitumiseen [31]. Käytännössä useimmat metallit eivät syövy merkittävästi, jos niiden pinnalle muodostuu suojaava reaktiotuotekerros.

Tämä metallin "iho" on yleensä jokin metallin yhdiste, joka on sekä kemial-lisesti että mekaanisesti riittävän kestävä. Esimerkiksi ruostumattoman teräksen pinnalle muodostuva, silmälle näkymätön oksidi-hydroksidikerros ja kuparikattojen vihreä patina ovat suojaavia korroosiotuotekerroksia.

Metalleja on hyödynnetty jo tuhansien vuosien ajan, aluksi koruissa ja koriste-esineissä, sitten aseissa ja työkaluissa ja lopulta hyvin erilaisissa tuotteissa. Metallit ovat aina reagoineet ympäristönsä kanssa, joten kor-roosiotakin on standardin SFS-EN ISO 8044 määritelmien mukaan ollut aina. Korroosioilmiöitä on myös osattu hyödyntää jo kauan erilaisissa me-tallipintojen koristeluissa etsaamalla. Vanhimmat metalliesineet ovat pää-osin pieniä kuparista, sen seoksista tai jalometalleista valmistettuja koriste-esineitä. Vanhimmat kupariesineet on valmistettu 6000–8000 vuotta ennen ajanlaskumme alkua [12]. Vanhimmat alkuperäisessä käytössä olevat metalliesineet ovat ilmeisesti urkupillejä, kirkonkelloja ja rakennustarvik-keita, joilla on ikää satoja vuosia. Nykyisin tavanomaisen tuotteen käyttöikä on vuosia tai kymmeniä vuosia. Rakenteiden ja rakennusten käyttöiät voi-vat olla satoja vuosia. Pitkäaikaisin suunniteltu teknologinen ratkaisu on ydinjätteiden loppusijoitus, jossa kuparikapseleiden suunniteltu käyttöikä on 100 000 vuotta.

Korroosioilmiöt ovat rajoittaneet metallien käyttömahdollisuuksia ilmei-sesti aina. Jo 1900-luvun alkupuolella oli havaittu, että metallien soveltu-vuus käyttökohteeseen riippuu usein korroosionkestävyydestä, mutta kor-roosionkestävyyden arviointi on hankalaa, ympäristön ominaisuuksia ei voida määritellä riittävän tarkasti ja laboratoriokokeiden ja käytännön kokemusten vastaavuus on usein huono [32]. Korroosionkestävyydellä tarkoitetaan nykyään standardin SFS-EN ISO 8044 mukaan sitä, että mate-riaali suoriutuu käyttötarkoituksessaan vaikka korroosio olisi siihen vaikut-tanutkin. Korroosionkestävyyteen kuuluu myös se, että laitteen tai

raken-tä

ävyyttä ei yl akenteen ta na ja lehtiku elmällä, me esti saostam on oltava tiiv

Lyijyä on k anut sekä s korroosiota

een. Lyijyä

leensä kuite ai tuotteen korroosion

Korroosionk riippuvuuks etalleilla on neet, ja sam

ään yleisest asituksessa, a, joissa on dessä ja hap en pehmeyd

viitä ja huok käytetty hyv sosiaalisia e on esitetty käytettiin

enkaan käyt käyttöikää.

nkestävyytee

kestävyytee sia.

n ollut käyt moja ongel ti korroosio maaperäss mukana ko pettavissa sy den takia j 4 karaatin s at kärsiä jä y yhtenä tek

antiikin R

tetä ensisija . Kuvassa 4 en ja kuink

en vaikuttav

ttökohteita, lmia on ed onkestävänä sä tai vedes ompleksinm yanidiliuoks ja seoksen seokset (14 noitteita on misella sekä k metalleista , jotta perus n kohteisiin ogisia onge kijänä Roo Roomassa ve

aisena tekijä 4 on esitetty ka useat er

via tekijöit

joissa ne e delleen olem n kultakin v aasti hapett saine ei syöp n ja lyijyn k elmia. Lyijy

man valtak esijohtojen

änä suunnit y kuinka er ri tekijät r

tä ja niiden

eivät ole kor massa. Esim

ei syövy no syöpyy hape a, kuten esim aa ei yleensä suus vaikut

i vähemmä loridiympär voi kärsiä j ttavilla ja k käyttöä ku komplek-ullalla on

Vitruvius Pollio (noin 75–15 eKr.) oli todennut lyijyn aiheuttavan terveys-ongelmia. Lyijyä käytettiin myös elintarvikkeiden valmistuksessa ja säily-tyksessä. Myrkyllistä lyijyasetaattia käytettiin jopa makeuttamaan viiniä ja ruokaa. Liuenneen lyijyn on esitetty aiheuttaneen korkeaa lapsikuolleisuut-ta, epämuodostumia ja aivovaurioita. Lyijyn myrkyllisyys vaikutti luista tehtyjen analyysien perusteella enemmän ylhäisöön kuin tavalliseen kan-saan [13,34]. Lyijy ei kestä orgaanisia happoja eikä pehmeää vettä [35,36].

Kovaa vettä lyijy saattoi kestää satoja vuosia, jos putket olivat koko ajan täynnä vettä [37]. Koska pienetkin lyijymäärät ovat terveydelle haitallisia, sen suurin sallittu määrä käyttövedessä on nykyään tiukasti rajoitettu⁶. Vanhin tunnettu menetelmä laivamatojen torjumiseksi on lyijyvuoraus ja vanhin ulkoa vuorattu laivanhylky on ajalta 400 vuotta eKr. Tekniikka oli käytössä erityisesti espanjalaisissa sotalaivoissa 1500-luvulla ja sieltä se levisi muualle Eurooppaan. Englannissa lyijyvuorausta alettiin käyttää 1600-luvulla, mutta se ei ollut pitkään käytössä sotalaivoissa. Lyijyvuorauk-sen havaittiin syövyttävän rautaosia kuten peräsimen saranoita eikä lyijy pehmeänä ja painavana metallina pysynyt kovinkaan hyvin kiinni laivojen suorituskyvyn ja nopeuden kasvaessa. Oma syynsä korroosioon ja lyijyn huonoon kiinnipysymiseen oli varmaan myös levyjen kiinnitykseen käyte-tyissä kuparinauloissa, jotka lyijyä jalompina saivat aikaan paikallista kor-roosiota. [38,39]

Lyijy on amfoteerinen metalli ja se liukenee sekä liian happamissa että liian emäksisissä olosuhteissa. Vuonna 1834 havaittiin, että lyijystä tehdyt kaasujohdot syöpyivät Münchenissä. Vuonna 1887 selvisi, että tässä tapa-uksessa emäksiset sementti ja kalkkilaasti syövyttivät lyijyä [4]. Samanlai-sia korroosiotapaukSamanlai-sia ilmeni lisää kun lyijystä tehtyjä kaasu- ja vesiputkia asennettiin kiinni sementtiin. Kaikissa tapauksissa esimerkiksi lyijyputken eristäminen syövyttäväksi oletetusta maaperästä asentamalla se sementillä vuorattuun kaivantoon ei ollutkaan hyvä ratkaisu [37]. Useissa käyttökoh-teissa lyijyn korroosio riippuu sen pinnalle muodostuvista niukkaliukoisista yhdisteistä. Lyijyoksidia ja -karbonaattia on käytetty pigmenttinä kor-roosionestomaaleissa. Luonnonvesissä lyijy kestää syöpymättä, jos ne sisäl-tävät riittävästi kovuussuoloja ja erityisesti veteen liuenneet silikaatit ovat suojaavia. Lyijyä on käytetty myös teräksen pinnoitteena ilmastollista kor-roosiota vastaan. Tavallisimmat pinnoitteet valmistetaan kuumaupotuksel-la ja niissä on seosaineena 3-15 % tinaa. Pinnoite tunnetaan nimellä ”terne”

eli himmeä erotukseksi kirkkaista tinapinnoitteista [35,40].

Lyijy soveltuu korroosionkestäväksi vuoraukseksi happoja sisältäviin prosesseihin niukkaliukoisten reaktiotuotteiden takia [37]. Kemiallisissa

6 Esimerkiksi EU-direktiivissä 98/83/EY ihmisten käyttöön tarkoitetun veden

23 prosesseissa lyijyvuoraus korvattiin myöhemmin ruostumattomalla teräk-sellä ja nykyään esimerkiksi polymeeripinnoitteet toimivat monessa koh-teessa korroosiosuojana yhtä hyvin kuin lyijy. Lyijyn sähkökemiallinen käyttäytyminen on erikoista, koska se muodostaa sähköä johtavia yhdistei-tä. Lyijyyn ja lyijydioksidiin perustui Plantén lyijyakku, joka oli ensimmäi-nen kaupallisesti menestynyt uudelleen ladattava virtalähde. Lyijystä val-mistetaan myös elektrolyysiprosesseissa käytettäviä liukenemattomia ano-deja sekä metallien pinnoittamiseen että talteenottoon. Noin 70 % lyijyn tuotannosta käytetään akuissa.

Raudasta tuli tärkein käyttömetalli 1000–500 eKr. Rautaesineitä on säilynyt, mutta ei niin runsaasti kuin voisi olettaa. Syitä ovat raudan kor-roosio ja vanhojen rautaesineiden uudelleen sulattaminen. Käyttömetallina raudalla ei ilmeisesti ole ollut samanlaista kulttuuriarvoa kuin kulta- tai kupariesineillä. Rooman valtakunnan hajoamisen jälkeen rautaa käytettiin edelleen aseissa, käyttöesineissä sekä rakennusten ja laitteiden kiinnitti-missä ja osissa. Raudan valmistustekniikan kehittyessä tuli uusia käyttötar-koituksia kuten haarniskat ja tuliaseet. Teknologiaan liittyviä uusia käyttö-kohteita alkoi tulla merkittävästi vasta 1700-luvulla.

Rauta on ruostunut aina, ja jo Plinius vanhempi valitti Rooman legi-oonalaisten aseiden ruostumisesta. Uudet sovellukset toivat mukanaan uusia korroosio-ongelmia ja vuonna 1412 Augsburgissa, Saksassa rakennet-tu ensimmäinen takorautainen vesijohto syöpyi niin nopeasti, että se kor-vattiin muutamassa vuodessa vanhastaan hyväksi havaituilla puuputkilla [4]. Suuria valurautaesineitä opittiin valmistamaan Euroopassa 1400-luvun lopulla, ja valurautaisten vesiputkien syöpyminen toi pikkuhiljaa esille erilaiset korroosion mahdollisesti aiheuttamat ongelmat. Vuonna 1457 valmistettiin ensimmäinen valurautainen vesijohto Dillenburgin linnaan Saksassa, mutta tämä 70 mm linja oli ilmeisesti vain linnan sisällä eikä nykyisessä linnassa ole paljoakaan jäljellä tuonaikaisia osia [5]. Vesijohto-putket valmistettiin pitkään valuraudasta, koska valaminen oli helpompaa kuin teräksen muokkaaminen. Valuraudan pienemmän lujuuden takia oli käytettävä suurempia seinämänvahvuuksia, mikä antoi lisää käyttöikää korroosion kannalta. Valurautaputkia suojattiin 1840-luvulta alkaen upot-tamalla ne kuumaan käsiteltyyn kivihiilitervaan. Halkaisijaltaan suuriin putkiin ryhdyttiin käyttämään terästä mikä edellytti parempaa kor-roosiosuojausta, esimerkiksi asfalttipinnoitusta ja maalausta, kuva 5 [41].

Kaupunkien kasvu edellytti myös jätevedestä huolehtimista. Viemäröinnis-sä käytettiin myös rauta- ja teräsputkistoja. Joissakin tapauksissa nämä putket syöpyivät hyvin nopeasti, ja korroosiota verrattiin jopa väkevän rikkihapon aiheuttamaan korroosioon [37].

Kuva 5. an ja teräks

ka näkyvin alea, jossa o koksia puu etun sillan valurautaa ävästi saata tynyt tietoa

isen, ulkoa ysvalloissa 1 metallin p vat epäpuh kosteusfilm akkuutta. E roksen kost

kuivuisi [4 nkumous to akenteet, ku

nen raudas n yli vuonn oli ensimmä uhiilen asem

pituus on suurehkoss avilla [45]. S , mutta ilm

ja sisältä em 1900-luvun llinen korro metallien t utti voimak sten polttoa kkelilaskeum n. Ilmastolli

ä havainto o pinnalla ei taudet kut uten sillat j sta valmiste meisesti se o

malimaalat n alussa [41]

oosio oli teo tuhoutumis ettu silta ”T uva 6. Silta ytty käyttäm dan valmis

sä sillassa skohteessa, peräisestä k on ollut pin

tun vesijohd ].

ollistumisen sesta. Ilmas pungeissa j äytön kasvu.

rikkidioks osion tausta

iksi, että ko näkyvää k kset, laivat s The Iron Br

a sijaitsee l mään kivihii stuksessa. V

käytettiin e , koska vast korroosiosu mmoniakki j

ökemialliste ta nyt rauta ojauksesta

25 mainitsee kirjassaan vuonna 1896, että ”asianmukaisesti pinnoitettu valu-rautasilta, joka ei ole ollut upotuksessa, on kestänyt ilman havaittavaa korroosiota 116 vuotta” [37].

Kuva 6. The Iron Bridge, vuonna 1779 rakennettu maailman ensimmäi-nen valuraudasta tehty silta. Silta ylittää Severn-joen.

Lähde: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ironbridge_6.jpg.

Valurautaiset rakenteet kestivät yleensä hyvin ilmastollista korroosiota.

Useiden valurautaisten siltojen sortuminen johtui väärästä suunnittelusta, jossa valurautaan kohdistuva kuormitus oli vetoa tai leikkausta. Onnetto-muuksien jälkeen valurauta yleensä korvattiin takoraudalla [46] ja tako-raudan käyttö silloissa alkoi yleistyä 1840-luvulla [37]. Teräksen valmistuk-sen yleistyttyä alettiin valmistaa terässiltoja ja vaijereilla tuettuja riippusil-toja. Riippusiltojen ketjujen, vaijereiden ja niiden kiinnitysten korroosioris-kiä ei ymmärretty alusta alkaen suureksi [37]. Ketjujen ja vaijereiden kor-roosio johti siltojen romahtamiseen 1800-luvun loppupuoliskolla ainakin Ranskassa ja Itävalta-Unkarissa. Sillan tyypillinen käyttöaika ennen ro-mahdusta oli ollut noin 30 vuotta [47]. Rakenteiden suojaamiseen käytetyt orgaaniset pinnoitteet eivät toimineet riittävän hyvin ja vasta kuumasinki-tyksen käyttö auttoi. Varsinkin ketjuissa ja vaijereissa, joissa tapahtuu koko ajan liikettä, nopeasti kuivuvat maalit halkeilivat ja keräsivät vettä alleen.

Useimmat maalit eivät kestäneet ilmastorasitusta juuri lainkaan ja maalaus korvattiin vaseliinin ja lyijymönjän sekoituksella [47]. Teräsvaijereiden korroosio silloissa on edelleen merkittävä ongelma [48,49]. Teräksestä

valmistettujen siltojen ja rakenteiden korroosioon alettiin kiinnittää erityis-tä huomiota 1870–1880-luvuilla. Fossiilisten polttoaineiden käyttö tuotti happamat olosuhteet, joita rautametallit eivät kestäneet. Poikkeuksellisen hankalia kohteita olivat rautateitä ylittävät sillat [37,50].

Ensimmäinen rautatie rakennettiin Englannissa 1825. Rautatiet yleistyi-vät nopeasti, ja niiden mukana tuli uusia korroosio-ongelmia. Ratapölkkyjä valmistettiin valuraudasta tai teräksestä ja kiskot valmistettiin valssatusta takoraudasta tai teräksestä. Materiaalien korroosionkestävyys maaperässä ei ollut erityisen hyvä. Hankalissa kosteissa kohteissa, erityisesti lämpimäs-sä ilmastossa, rautaiset ratapölkyt saattoivat syöpyä käyttökelvottomiksi muutamassa vuodessa. Myös pultit, joilla kiskot kiinnitettiin rautaisiin pölkkyihin, saattoivat syöpyä niin, että niitä jouduttiin jatkuvasti vaihta-maan. Euroopassa ratapölkkyjen tai pulttien korroosio ei ollut ongelma ja ratapölkkyjen suojaamiseenkin ryhdyttiin käyttämään upottamista kuu-maan kivihiilitervaan. Kiskojen kuluminen taas oli ongelma, johon ei löyty-nyt ratkaisua muuten kuin ainesvahvuutta kasvattamalla. Kiskojen kulumi-sen todettiin johtuvan usein siitä, että junan pyörät irrottivat kiskon pin-nasta korroosiotuotteita, jotka muodostuivat saman tien uudelleen [47].

Kiskon yläpinnan korroosio saattoi olla 4-5 kertaa voimakkaampaa kuin muiden pintojen korroosio. Varsinkin tunneleissa kiskojen korroosio oli nopeaa ja kiskoja jouduttiin myös uusimaan muutaman vuoden välein [37].

Rautalaivoja alettiin ottaa käyttöön kun laivojen koko kasvoi niin suurek-si, että puurakenteet eivät enää olleet riittävän lujia. Puurakenteisen aluk-sen maksimipituus oli noin 80 m koska lujuus pituussuunnassa ei ollut puun epäjatkuvuuskohtien takia enää riittävä [51]. Myös höyrykoneiden käyttöönotto edellytti puuta lujempaa rakennusmateriaalia [52]. Ensim-mäiset maininnat rautaisista aluksista ovat 1780–1790-luvulta, jolloin Englannissa rakennettiin kanavaproomuja, ensimmäisenä Trial vuonna 1787 [51]. Ensimmäinen suurempi alus oli 1818 rakennettu 61-jalkainen matkustaja-alus Vulcan (kuva 7), joka oli käytössä Glasgow’n ja Edin-burghin välillä. Alus oli matkustajakäytössä ilmeisesti vielä vuonna 1865 ja se romutettiin 1873 [51,52].

Rautalaivoilla oli materiaalin takia kaksi ongelmaa: kasvusto ja korroosio.

Rautaisten laivojen runkoihin kasvusto tarttui hyvin kiinni ja sen estämi-seksi kokeiltiin kuparivuorausta huonolla menestyksellä. Englannin kunin-kaallinen laivasto oli korroosio-ongelmien takia jopa kieltämässä raudan käytön laivojen rakennusmateriaalina. Raudan ja kuparin välinen galvaani-nen korroosio palasi uudelleen kun rautalaivoihin asennettiin kuparisia putkistoja eri tarkoituksiin. Korroosio saattoi johtaa uppoamisiin, kun tavallisesti hankalasti tarkistettavissa paikoissa olleet läpiviennit johtivat rautarungon syöpymiseen ja suuriin vuotoihin [53].

K a viikossa h on mittauks maalin riste

een pohjaa kuukauden a kehitelty jo 1 antimoniin, ollut ja kupa

essa rautaru vain kasvust miseksi teht ohon kupar uksessa oli oosiosuojan kasvaessa m epeämisten an kasvoi 2 aikana [37]

1600-luvult arseeniin ja arointi vain unko oli syö to piti pohj tiin ratkaisu tosten ja ra myös niiden n ja räjähdy

limaton va tumien mu us olivat tä lavaurioista oosiosta. H umojen kor

18 rakenne eedings of

[51].

hjissa oli pa vaa merkitt -luvun lopu en ylläpitäm

0–25 % 5–

]. Erilaisia k ta saakka, ja a sinkkiin [ n pahensi r öpynyt kup aa koossa ( uja, joissa t n kiinnittää nykyiseen r ali suojaa p

vaikka varh iin ottaa k

höyrykone n. Wattin ke apainekone autateiden v n vauriotap ysten syyt lu almistus, ku uodostumin ärkeimmät a ja Yhdysv Höyrykattilo rroosiona,

etun Vulca f the Scott

aha ongelm a ne perustu [50]. Kunno uokiteltiin n uluminen j nen kattilan

syyt. ittava teho den aikana kasvuston e uivat mm. e ollisia kasvu roosiota. Pa maalin taki on 1862) [52

n päälle lait 0-luvun alu

jossa pohj ja pintama it eivät vie o 1600-luv osiona tai u

uva, julkais kia niin paha

2]. Kasvust tettiin puuv ussa laivojen jamaali ant aalin päällä elä kovin hy vulla. Newc rroosio ja h o-Britannias osa vaaratil rroosio ilm urina kun l

27 maaleja ei

kohdall

e pystyi ke siä, höyryka rio oli saum

54] sa vesissä ja ng totesi 19 kirjassaan, n ja muiden yhä enemmä

kattiloiden k orroosio ja (

rauta ja ter skittyi aino ta on kirjoit -kirkossa ha

aostumia, k i yleensä vu e muodostu

korroosiova (c) syvä ja te räs olivat t astaan niih tettu ilmeis avaittiin ruo fitoituminen bert Mallet a julkaisi k a täydennet varmistus o

kuva 8. Jos uoto, mutta unut pitkä u

(b) aurioita, (a) erävä ura [5 tärkeimmät hin lähes sa

esti ensimm ostekerroks

n on doku t aloitti tutk koetuloksens ttiin takora maalejakin

jen vaihtee us ja seosai ävämpää ku dan ja teräk minen on n

[59]. Kosk sa kohteissa mivuuden j na vuonna o kasvaessa en, että ma ollut pysyny

korroosiov a jos vaurio ura, räjähdys umentoitu e kimuksensa sa 1840 ja udalla ja te [55-57]. Ta ka rautaa ja a, korroosio oita oli useit

s oli mahdo

tallit ja ko n ajan. Tako

an 1790, ku an alla oleva ensimmäise a valurauda 1843. Valu eräksillä sek akoraudan j u eroja ko t samanlais ta, erityises siota käsite a kuin puun

terästä käy on estämine uuden taki jassaan esil u oli heiken aatuvaihtelu

as-29 Teräksen korroosio-ongelmat saatiin hallittua kun kehitettiin toimivia korroosionestomaaleja, ryhdyttiin käyttämään kuumasinkitystä sekä lisäksi joissakin kohteissa katodista suojausta. Maalauksen käyttö alkoi kehittyä 1800-luvun puolivälissä sekä ilmastollisen korroosion että meriveden aihe-uttaman korroosion estämiseen. Rakenteen kestävyyden kannalta maali ja sen ominaisuudet olivat yhtä tärkeitä kuin rakenteessa käytetty teräs ja sen ominaisuudet. Toimivia maalien sideaineita ja pigmenttejä ei kuitenkaan ollut montaa ja maalaustyön tekeminen oli työlästä ja riippui paljon säästä.

Vielä 1900-luvun alussa materiaalivahvuudet saattoivat olla viisinkertaisia tarvittavaan kuormankantokykyyn verrattuna, koska ruostuminen oli nope-aa eikä kunnollisia korroosionestomnope-aaleja ollut [41]. Luonnosta snope-aatavien sideaineiden, kuten hapettumalla kuivuvien öljyjen ja kivihiilitervan, rin-nalle kehitettiin synteettiset alkydimaalit 1920-luvulla, kloorikautsu 1930-luvulla, sinkkipohjamaalit, epoksit ja korkeiden lämpötilojen silikoni 1950-luvulla sekä polyuretaanit ja paksut poly- ja vinyyliesteripinnoitteet 1960-luvulla [60,61]. Kuumasinkitys teräksen suojana alkoi yleistyä 1800-luvun puolivälissä ilmastollisen korroosion estämiseen [62,63]. Katodinen suoja-us uhrautuvilla anodeilla alkoi yleistyä laivojen potkureiden, peräsinten ja lauhduttimien suojaukseen 1800-luvun lopulla ja 1900-luvun alussa. Putki-linjastojen katodinen suojaus kehitettiin 1920-luvulla mutta menetelmät alkoivat yleistyä vasta 1930- ja 1940-luvuilla kun putkien ulkopinnoille ymmärrettiin laittaa riittävän eristäviä pinnoitteita [5].

Kupari on teräksen ja alumiinin jälkeen kolmanneksi eniten käytetty metalli. Kuparin tärkeät ominaisuudet ovat sähkön- ja lämmönjohtokyky, muovattavuus, korroosionkestävyys ja ulkonäkö. Seostamalla saadaan paremmat mekaaniset ominaisuudet, valmistettavuus ja joillakin seoksilla myös korroosionkestävyys kuin puhtaalla kuparilla. Tärkeimmät seosryh-mät ovat messingit (Cu-Zn), tinapronssit (Cu-Sn), alumiinipronssit (Cu-Al) ja kupronikkelit (Cu-Ni). Yleensä seoksissa on muitakin seosaineita. Mes-singit, joissa on alle 38 % sinkkiä, ovat homogeenisia α-messinkejä. Paljon kuparia sisältävät α-messingit ovat punaisia ja paljon sinkkiä sisältävät keltaisia. Yli 38 % sinkkiä sisältävissä α/β-messingeissä on myös kovaa β -faasia. Messinkien lujuus kasvaa sinkkipitoisuuden kasvaessa mutta samal-la korroosionkestävyys huononee. Pronssien mekaaniset ominaisuudet ja korroosionkestävyys ovat parempia kuin messinkien. Seoksia, joilla on pronssin tyypillinen punasävy, kutsutaan usein pronsseiksi vaikka ne olisi-vat koostumukseltaan jotain muuta kuin kuparia ja tinaa. Kupronikkeleissä päämetalli on kupari, johon on seostettu 10–30 % nikkeliä ja lisäksi man-gaania ja rautaa. Ne ovat korroosionkestäviä muun muassa merivedessä.

Lisäämällä kuparin ja nikkelin seokseen sinkkiä saadaan uushopeaa, jolla on hopean ulkonäkö ja joka pysyy kirkkaana ilmastorasituksessa.

Ennen teollista aikakautta kuparin tärkeimmät käyttökohteet perustuivat sen riittävään lujuuteen erityisesti silloin kun rautaa ei ollut saatavissa riittävästi, korroosionkestävyyteen ilmastossa ja kykyyn torjua biologista kasvustoa. Kuparia käytettiin esimerkiksi laivojen nauloissa. Taottu kupa-rinaula oli riittävän luja mutta ei kuitenkaan hauras ja se kesti laivan liik-keestä ja rungon elämisestä aiheutuneet voimat. Roomalaiset käyttivät kupari- ja pronssiosia rakennusten kivien liittämiseen. Merkittävien raken-nusten katoissa kuparia on käytetty mahdollisesti jo 400-luvulta eKr., ja varmuudella ainakin Rooman Pantheonissa 100-luvulla jKr. [64]. Kuparin korroosionkestävyys ilmastossa perustuu sen pinnalle muodostuvaan mus-taan oksidikerrokseen, joka reagoidessaan ilman epäpuhtauksien kanssa muodostaa erivärisiä yhdisteitä, kuva 9. Yhdisteiden muodostumisnopeus riippuu epäpuhtauksista ja märkänäoloajasta ja se on nykyään Euroopassa 20–70 vuotta. Kuivissa puhtaissa olosuhteissa esimerkiksi Australiassa kuparikatot saattavat olla mustia vielä 80–90 vuoden kuluttua [65].

Kuva 9. Tallinnan Olaviste-kirkon tornin vihreäksi patinoitunutta ja mustaa kuparipinnoitetta 2009.

Kuparin havaittiin torjuvan sekä laivamatoja että pohjaan tarttuvaa kas-vustoa, minkä jälkeen laivojen lyijypinnoitteista luovuttiin. Ensimmäiset maininnat kuparin käytöstä ovat vuodelta 1625, jolloin ehdotettiin kuparia sisältävän pinnoitteen käyttöä. Pinnoitteen tehoaineena oli ilmeisesti kalko-siitti Cu2S tai kupariarseenimineraali [66]. Noin sata vuotta myöhemmin

31 käytännössä kuparointi tehtiin hakkaamalla runkoon kuparinauloja niin tiiviisti, että ne muodostivat lähes peittävän pinnoitteen. Ensimmäinen kuparilevyillä suojattu alus oli Kuninkaallisen Laivaston HMS Alarm, joka pinnoitettiin 1758. Kuparipinnoitus toimi kuten oli toivottu mutta jo en-simmäisellä matkalla havaittiin, että levyjen kiinnittämiseen käytetyt rau-tanaulat syöpyivät. Ratkaisuiksi suositeltiin kuparin ja raudan eristämistä toisistaan tai niiden pitämistä riittävän välimatkan päässä toisistaan. Kopio HMS Alarmin matkan raportista on viitteen [39] liitteenä.

Kuninkaallinen Laivasto jatkoi kokeita laivojen kuparoinnilla ja 1780 kuparointi oli yleisesti käytössä. Kuparoinnilla tavoiteltiin lisää nopeutta yliotteen saamiseksi Ranskan laivastosta, joka oli kasvuston takia hitaampi.

Kuparin kuluminen oli kuitenkin melko nopeaa, minkä takia Amiraliteetti antoi Sir Humphry Davylle tehtäväksi tutkia keinoja kuparin korroosion estämiseksi. Davy osoitti, että katodinen suojaus estää korroosion, mutta samalla menetettiin kuparin kyky estää kasvustoa. Loppujen lopuksi 1830-luvulla arvioitiin, että kuparin kulumisen kustannukset olivat pienemmät kuin laivamatojen ja kasvuston kustannukset [39]. Kuparilla, kupariseoksil-la ja kupariyhdisteillä on ollut käyttöä nykypäiviin saakka merivesisovelluk-sissa kasvuston estämisessä.

Kuparin tärkeimmiksi käyttökohteiksi tulivat teollisen vallankumouksen myötä sähkötekniikka, sähköinen tiedonsiirto ja rakennustekniikka. Sähkö-teollisuuden kehittyessä 1800-luvun puolivälissä puhtaasta, hyvin sähköä johtavasta kuparista tuli kriittinen metalli energian ja valaistuksen suhteen.

Ensimmäiset katujen sähkövalaistukset rakennettiin käyttäen valokaari-lamppuja 1870-luvun lopulla. Kaupunkeihin valaistusverkostojen kupari-johtimia ei aluksi aina pinnoitettu vaan ne asennettiin maahan kaivettuihin betonisiin tai keraamisiin kaapelikanaviin, joiden oli tarkoitus pysyä kuivi-na. Esimerkiksi Pariisissa kanavat eivät pysyneet kuivina vaikka ne olivat pohjaveden pinnan yläpuolella. Elektrolyysi-ilmiöt saivat aikaan vedyn, hapen ja kloorikaasun seoksen, joka saattoi räjähtää. Ongelman ratkaisemi-seksi kaapelit pinnoitettiin bitumilla [47]. Yksityiseen käyttöön valokaari-lamput olivat liian tehokkaita ja siksi niitä käytettiin vain katuvalaistukseen

In document Korroosion ja korroosioneston historia (sivua 22-49)